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JP7600371B2 - Piezoelectric elements and piezoelectric sensors - Google Patents
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JP7600371B2 - Piezoelectric elements and piezoelectric sensors - Google Patents

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Description

開示の実施形態は、圧電素子および圧電センサに関する。 Disclosed embodiments relate to piezoelectric elements and piezoelectric sensors.

従来、圧電体および内部電極を積層させた積層体と、内部電極に接続された外部電極とを有する圧電素子が知られている。Conventionally, a piezoelectric element has been known that has a laminate in which a piezoelectric body and an internal electrode are stacked, and an external electrode connected to the internal electrode.

特開2020-167225号公報JP 2020-167225 A

実施形態の一態様に係る圧電素子は、積層体と、外部電極とを備える。積層体は、圧電体と内部電極とが複数積層されている。外部電極は、積層体の側面に位置し、前記内部電極に接続されている。前記積層体は、極性が異なる前記内部電極で挟まれた活性領域と、極性が同一の前記内部電極で挟まれた不活性領域とを有する。前記内部電極は、主成分としてAgおよびPdを含有する。前記活性領域に位置する前記内部電極の活性部は、第1部分である。前記不活性領域に位置する前記内部電極の不活性部は、前記第1部分よりもPdの含有率が高い第2部分を有する。前記第1部分は、前記第2部分よりもAgの含有率が高い。 The piezoelectric element according to one aspect of the embodiment includes a laminate and an external electrode. The laminate is formed by stacking a plurality of piezoelectric bodies and internal electrodes. The external electrode is located on a side of the laminate and is connected to the internal electrode. The laminate has an active region sandwiched between the internal electrodes having different polarities and an inactive region sandwiched between the internal electrodes having the same polarity. The internal electrode contains Ag and Pd as main components. The active portion of the internal electrode located in the active region is a first portion. The inactive portion of the internal electrode located in the inactive region has a second portion having a higher Pd content than the first portion. The first portion has a higher Ag content than the second portion.

図1は、実施形態に係る圧電素子の一例を示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating an example of a piezoelectric element according to an embodiment. 図2は、図1に示す圧電素子のA-A矢視断面図である。2 is a cross-sectional view of the piezoelectric element shown in FIG. 1 taken along line AA. 図3は、図1に示す圧電素子のB-B矢視断面図である。3 is a cross-sectional view of the piezoelectric element shown in FIG. 1 taken along the line BB. 図4は、実施形態の変形例に係る圧電素子の一例を示す断面図(その1)である。FIG. 4 is a cross-sectional view (part 1) showing an example of a piezoelectric element according to a modified example of the embodiment. 図5は、実施形態の変形例に係る圧電素子の一例を示す断面図(その2)である。FIG. 5 is a cross-sectional view (part 2) showing an example of a piezoelectric element according to a modified example of the embodiment. 図6は、実施形態の変形例に係る圧電素子の一例を示す平面図である。FIG. 6 is a plan view illustrating an example of a piezoelectric element according to a modified example of the embodiment. 図7は、実施形態の変形例に係る圧電素子の一例を示す断面図(その3)である。FIG. 7 is a cross-sectional view (part 3) showing an example of a piezoelectric element according to a modified example of the embodiment. 図8は、実施形態の変形例に係る圧電素子の一例を示す断面図(その4)である。FIG. 8 is a cross-sectional view (part 4) showing an example of a piezoelectric element according to a modified example of the embodiment. 図9は、実施形態に係る圧電センサの一例を示す斜視図である。FIG. 9 is a perspective view illustrating an example of a piezoelectric sensor according to the embodiment. 図10は、図9に示す圧電センサのC-C矢視断面図である。10 is a cross-sectional view of the piezoelectric sensor shown in FIG. 9 taken along the line CC.

以下、添付図面を参照して、本願の開示する圧電素子および圧電センサの実施形態について説明する。なお、以下に示す実施形態により本開示が限定されるものではない。また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。 Below, embodiments of the piezoelectric element and piezoelectric sensor disclosed in the present application will be described with reference to the attached drawings. Note that the present disclosure is not limited to the embodiments shown below. It should be noted that the drawings are schematic, and the dimensional relationships between the elements, the ratios between the elements, etc. may differ from reality.

<圧電素子>
図1は、実施形態に係る圧電素子の一例を示す斜視図である。図2は、図1に示す圧電素子のA-A矢視断面図である。図3は、図1に示す圧電素子のB-B矢視断面図である。なお、図2は、図1に示す圧電素子1を、ZX平面に沿って断面視したものに相当する。また、図3は、図1に示す圧電素子1を、内部電極30を含むようにXY平面に沿って断面視したものに相当する。
<Piezoelectric element>
Fig. 1 is a perspective view showing an example of a piezoelectric element according to an embodiment. Fig. 2 is a cross-sectional view taken along the line A-A of the piezoelectric element shown in Fig. 1. Fig. 3 is a cross-sectional view taken along the line B-B of the piezoelectric element shown in Fig. 1. Fig. 2 corresponds to a cross-sectional view of the piezoelectric element 1 shown in Fig. 1 taken along the ZX plane. Fig. 3 corresponds to a cross-sectional view of the piezoelectric element 1 shown in Fig. 1 taken along the XY plane so as to include the internal electrode 30.

実施形態に係る圧電素子1は、積層体10と、外部電極40とを備える。圧電素子1は、例えば、積層体10が受ける外力を検知して電圧に変換する圧電センサである。The piezoelectric element 1 according to the embodiment includes a laminate 10 and an external electrode 40. The piezoelectric element 1 is, for example, a piezoelectric sensor that detects an external force applied to the laminate 10 and converts it into a voltage.

積層体10は、圧電体20と内部電極30とが複数積層されている。圧電体20は、例えば、強誘電性を有しているセラミックス材料で構成されている。The laminate 10 is made up of multiple layers of piezoelectric bodies 20 and internal electrodes 30. The piezoelectric bodies 20 are made of, for example, a ceramic material having ferroelectric properties.

内部電極30は、主成分としてAgおよびPdを含有する。ここで、「主成分」とは、内部電極30を構成する各種成分のうち、AgおよびPdが他の成分と比較して多く含有されていることをいう。内部電極30を構成する全成分100質量%のうち、Agが0.5~99.5質量%、Pdが0.5~99.5質量%、かつAgとPdの合計が70質量%以上である。また、ここでいう「他の成分」としては、例えば、ガラスである。例えば、AgとPdの合計が70質量%のとき、残り30質量%がガラスである。一方、ガラスがほとんど無く、Agが99.5質量%、Pdが0.5質量%の場合、あるいはAgが0.5質量%、Pdが99.5質量%の場合もある。The internal electrode 30 contains Ag and Pd as the main components. Here, "main components" refers to the fact that, among the various components constituting the internal electrode 30, Ag and Pd are contained in greater amounts than the other components. Of the total components constituting the internal electrode 30 (100% by mass), Ag is 0.5 to 99.5% by mass, Pd is 0.5 to 99.5% by mass, and the total of Ag and Pd is 70% by mass or more. In addition, the "other components" referred to here are, for example, glass. For example, when the total of Ag and Pd is 70% by mass, the remaining 30% by mass is glass. On the other hand, there may be almost no glass, Ag is 99.5% by mass, Pd is 0.5% by mass, or Ag is 0.5% by mass and Pd is 99.5% by mass.

また、内部電極30は、電極31~電極34を含む。電極31~電極34は、圧電体20を挟んで順に積層されている。電極31,33は、一端が外部電極40である電極41に電気的に接続されており、XY平面に沿ってX軸正方向側に延びている。電極32,34は、一端が外部電極40である電極42に電気的に接続されており、XY平面に沿ってX軸負方向側に延びている。 The internal electrode 30 includes electrodes 31 to 34. Electrodes 31 to 34 are stacked in order with the piezoelectric body 20 in between. One end of electrodes 31 and 33 is electrically connected to electrode 41, which is the external electrode 40, and extends along the XY plane in the positive direction of the X-axis. One end of electrodes 32 and 34 is electrically connected to electrode 42, which is the external electrode 40, and extends along the XY plane in the negative direction of the X-axis.

外部電極40は、主成分としてAuを含有する。外部電極40は、例えば、50質量%を超える、特に90質量%以上のAuまたはAu合金を含有する、いわゆる金電極であってもよい。また、外部電極40は、Pb(鉛)を含有してもよい。外部電極40は、例えば、圧電体20との界面に位置する外部電極40がPbを含有すると、密着性が高くなる。圧電体20がPbを含有するものであるとき、さらに密着性に優れる。外部電極40は、積層体10の側面に位置し、内部電極30に接続される。外部電極40は、積層体10を挟んで互いに向かい合う電極41,42を有する。電極41は、積層体10のX軸負方向側の側面に位置している。電極42は、積層体10のX軸正方向側の側面に位置している。外部電極40は、積層体10の側面に沿って、内部電極30の積層方向であるZ軸方向と比較して内部電極30が積層体10の外部に露出して延びるY軸方向に長い略矩形状を有している。The external electrode 40 contains Au as a main component. The external electrode 40 may be a so-called gold electrode containing, for example, more than 50 mass%, particularly 90 mass% or more of Au or Au alloy. The external electrode 40 may also contain Pb (lead). For example, when the external electrode 40 located at the interface with the piezoelectric body 20 contains Pb, the external electrode 40 has high adhesion. When the piezoelectric body 20 contains Pb, the external electrode 40 has even better adhesion. The external electrode 40 is located on the side of the laminate 10 and is connected to the internal electrode 30. The external electrode 40 has electrodes 41 and 42 facing each other across the laminate 10. The electrode 41 is located on the side of the laminate 10 on the negative X-axis direction side. The electrode 42 is located on the side of the laminate 10 on the positive X-axis direction side. The external electrode 40 has a roughly rectangular shape that is longer in the Y-axis direction, in which the internal electrode 30 extends exposed outside the laminate 10, than in the Z-axis direction, which is the stacking direction of the internal electrode 30, along the side of the laminate 10.

積層体10は、活性領域11と、不活性領域12とを有する。活性領域11は、極性が異なる内部電極30で挟まれた領域である。具体的には、活性領域11は、互いに隣り合う内部電極30同士が互いに向かい合う部位である。The laminate 10 has an active region 11 and an inactive region 12. The active region 11 is a region sandwiched between internal electrodes 30 of different polarities. Specifically, the active region 11 is a region where adjacent internal electrodes 30 face each other.

不活性領域12は、極性が同一の内部電極30で挟まれた領域である。具体的には、不活性領域12は、同じ外部電極40(41)に接続されている電極31,33間のうち、電極32が位置しない部位、および、同じ外部電極40(42)に接続されている電極32,34間のうち、電極33が位置しない部位である。The inactive region 12 is a region sandwiched between internal electrodes 30 of the same polarity. Specifically, the inactive region 12 is a region between electrodes 31 and 33 connected to the same external electrode 40 (41) where electrode 32 is not located, and a region between electrodes 32 and 34 connected to the same external electrode 40 (42) where electrode 33 is not located.

また、活性領域11に位置する内部電極30における活性部は、第1部分36である。また、不活性領域12に位置する内部電極30における不活性部は、第1部分36よりもPdの含有率が高い第2部分37を有する。第1部分36は、第2部分37よりもAgの含有率が高い。AgおよびPdの含有率は、SEM(走査型電子顕微鏡)観察にて測定箇所を確認したうえで、EPMA(電子プローブマイクロアナライザ)にて測定する。第1部分36の含有率としては、例えば、Agが70~95質量%、Pdが5~30質量%であり、第2部分の含有率としては、例えば、Agが0.5~15質量%、Pdが85~99.5質量%である。 The active portion of the internal electrode 30 located in the active region 11 is the first portion 36. The inactive portion of the internal electrode 30 located in the inactive region 12 has a second portion 37 having a higher Pd content than the first portion 36. The first portion 36 has a higher Ag content than the second portion 37. The Ag and Pd contents are measured by EPMA (electron probe microanalyzer) after confirming the measurement point by observation with a SEM (scanning electron microscope). The contents of the first portion 36 are, for example, 70 to 95 mass% Ag and 5 to 30 mass% Pd, and the contents of the second portion are, for example, 0.5 to 15 mass% Ag and 85 to 99.5 mass% Pd.

Agは、例えば内部電極30を構成するPd等と比較して変形しやすい。第1部分36が第2部分37よりもAgの含有率が高いことにより、活性領域11が変形する際に生じる応力を低減できる。これにより、圧電素子1は耐久性に優れる。Ag is more easily deformed than, for example, Pd, which constitutes the internal electrode 30. The first portion 36 has a higher Ag content than the second portion 37, which reduces the stress that occurs when the active region 11 deforms. This makes the piezoelectric element 1 highly durable.

Pdは、例えば内部電極30を構成するAg等と比較して変形しにくい。第2部分37が第1部分36よりもPdの含有率が高いことにより、不活性領域12が変形しにくくなる。これにより、圧電素子1は耐久性に優れる。Pd is less likely to deform than, for example, Ag that constitutes the internal electrode 30. Since the second portion 37 has a higher Pd content than the first portion 36, the inactive region 12 is less likely to deform. This makes the piezoelectric element 1 more durable.

さらには、Pdの含有率が高い第2部分37を3次元網目構造として、内部電極30自体に応力緩和機能を持たせたり、3次元網目の空間部に圧電体20との結合力の強いガラス層などを含有させたりしてもよい。これにより、長期間使用しても第2部分37と圧電体20との間にマイクロクラックが生じることが少なくなるため、圧電素子1はさらに耐久性に優れる。なお、第2部分37は、不活性領域12の全体に位置しなくてもよい。また、圧電素子1を圧電センサとして用いる場合、圧電素子1に加わる応力によって不活性領域12のうち活性領域11に接する部分では圧電体20も変形する。このとき、第1部分36が、Pd等と比較して変形しやすいAgが多いことにより、変形へ追従できるため、圧電素子1は高い耐久性を有する。 Furthermore, the second portion 37, which has a high Pd content, may be a three-dimensional mesh structure, so that the internal electrode 30 itself has a stress relaxation function, or the space in the three-dimensional mesh may contain a glass layer or the like that has a strong bond with the piezoelectric body 20. This reduces the occurrence of microcracks between the second portion 37 and the piezoelectric body 20 even after long-term use, making the piezoelectric element 1 even more durable. The second portion 37 does not have to be located in the entire inactive region 12. In addition, when the piezoelectric element 1 is used as a piezoelectric sensor, the piezoelectric body 20 is also deformed in the portion of the inactive region 12 that contacts the active region 11 due to the stress applied to the piezoelectric element 1. At this time, since the first portion 36 contains a large amount of Ag, which is more easily deformed than Pd, etc., it can follow the deformation, and the piezoelectric element 1 has high durability.

図2に示すような構造とするには、例えば、次のような方法がある。 To achieve the structure shown in Figure 2, for example, the following methods can be used.

圧電素子1は、圧電体20と内部電極30とが交互に複数積層された積層体10を備えている。積層体10は、例えば、四角柱形状であるとき、縦2mm~10mm、横2mm~10mm、積層方向の高さ1mm~20mm程度である。なお、積層体10は、四角柱形状以外に、例えば六角柱形状や八角柱形状あるいは円柱形状などであってもよい。The piezoelectric element 1 comprises a laminate 10 in which piezoelectric bodies 20 and internal electrodes 30 are alternately stacked. When the laminate 10 has a rectangular prism shape, for example, it has a length of 2 mm to 10 mm, a width of 2 mm to 10 mm, and a height in the stacking direction of about 1 mm to 20 mm. Note that the laminate 10 may have a shape other than a rectangular prism shape, such as a hexagonal prism shape, an octagonal prism shape, or a cylindrical shape.

積層体10を構成する複数の圧電体20は圧電セラミックスからなる。この圧電セラミックスは、平均粒径が例えば1.6~2.8μm程度である。圧電セラミックスの材料としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(PbZrO-PbTiO)等からなるペロブスカイト型酸化物、ニオブ酸リチウム(LiNbO)、タンタル酸リチウム(LiTaO)などが挙げられる。 The piezoelectric bodies 20 constituting the laminate 10 are made of piezoelectric ceramics. The average grain size of the piezoelectric ceramics is, for example, about 1.6 to 2.8 μm. Examples of piezoelectric ceramic materials include perovskite oxides such as lead zirconate titanate (PbZrO 3 -PbTiO 3 ), lithium niobate (LiNbO 3 ), and lithium tantalate (LiTaO 3 ).

また、内部電極30は、例えばAg、Ag-Pd、Ag-Pt、Cuなどの金属を主成分とするものであり、積層方向に交互に配置されている。積層体10の一つの側面に第1の極が導出され、他の側面に第2の極が導出されている。The internal electrodes 30 are mainly composed of a metal such as Ag, Ag-Pd, Ag-Pt, or Cu, and are arranged alternately in the stacking direction. A first electrode is led out to one side of the laminate 10, and a second electrode is led out to the other side.

内部電極30を形成するには、第1部分36と、第2部分37とで、それぞれAgとPdの比率の異なるペーストを圧電体に印刷して積層体を形成した後に焼成すればよい。第1部分36と第2部分37との境界は、印刷パターンで制御することができる。また、第1部分36と第2部分37とを含む内部電極30の位置にAgを多く含むペーストを印刷して積層体を形成した後に一度焼成を行う。次に、外部電極40の位置にPdペーストを印刷して焼成することで拡散現象を利用して内部電極30の端部にPdを多く含む第2部分37を形成してもよい。なお、この方法の場合、外部電極はPdからなるものであるため、これを削り落として、例えば、Auを主成分とする外部電極40を形成してもよい。To form the internal electrode 30, pastes with different Ag and Pd ratios are printed on the piezoelectric body for the first portion 36 and the second portion 37 to form a laminate, which is then fired. The boundary between the first portion 36 and the second portion 37 can be controlled by the printing pattern. Also, a paste containing a large amount of Ag is printed at the position of the internal electrode 30 including the first portion 36 and the second portion 37 to form a laminate, which is then fired once. Next, a Pd paste may be printed at the position of the external electrode 40 and fired to form the second portion 37 containing a large amount of Pd at the end of the internal electrode 30 by utilizing the diffusion phenomenon. In this method, since the external electrode is made of Pd, it may be scraped off to form an external electrode 40 mainly composed of Au, for example.

上記方法以外にも各種方法があるが、いずれの方法を用いてもよい。 There are various methods other than those mentioned above, and any of them may be used.

また、図2、図3に示すように、活性部と不活性部との境界に第1部分36が位置してもよい。このような構成によれば、活性部と不活性部との境界でAgの含有率が高いため、特に活性領域11と不活性領域12との境界部分が受ける応力を低減できる。これにより、圧電素子1は耐久性に優れる。2 and 3, the first portion 36 may be located at the boundary between the active portion and the inactive portion. With this configuration, the Ag content is high at the boundary between the active portion and the inactive portion, so that the stress experienced by the boundary between the active region 11 and the inactive region 12 in particular can be reduced. This provides the piezoelectric element 1 with excellent durability.

また、外部電極40は、側面視において第2部分37内に位置していてもよい。図3および図6がこの例にあたり、この構成によれば、外部電極40は、第1部分36との間に界面が生じない。そのため、外部電極40、第1部分36、第2部分37による三重界面が生じない。例えば、外部電極40においてAuの含有率が高く、第1部分36においてAgの含有率が高く、第2部分37においてPdの含有率が高い場合、これらの三重界面には、含有成分および含有量の違いにより応力が掛かる場合がある。しかしながら、上記構成によれば、三重界面が生じず、掛かる応力が少ないため、圧電素子1は耐久性に優れる。 The external electrode 40 may also be located within the second portion 37 in a side view. Figures 3 and 6 show this example. According to this configuration, the external electrode 40 does not have an interface with the first portion 36. Therefore, a triple interface is not generated between the external electrode 40, the first portion 36, and the second portion 37. For example, if the external electrode 40 has a high Au content, the first portion 36 has a high Ag content, and the second portion 37 has a high Pd content, stress may be applied to these triple interfaces due to differences in the contained components and amounts. However, according to the above configuration, a triple interface is not generated and the applied stress is small, so that the piezoelectric element 1 has excellent durability.

図4、図5は、実施形態の変形例に係る圧電素子の一例を示す断面図である。図4は、図1に示す圧電素子1のA-A矢視断面図である。図5は、図1に示す圧電素子1のB-B矢視断面図である。 Figures 4 and 5 are cross-sectional views showing an example of a piezoelectric element relating to a modified embodiment. Figure 4 is a cross-sectional view taken along the line A-A of the piezoelectric element 1 shown in Figure 1. Figure 5 is a cross-sectional view taken along the line B-B of the piezoelectric element 1 shown in Figure 1.

変形例に係る圧電素子1は、第2部分37と外部電極40との間に位置する接続部35を有している。接続部35は、熱伝導性が第2部分37と外部電極40の中間にあたるものである。例えば、第2部分37がAgとPdとを含み、第1部分36よりもPdの含有率が高いものであり、外部電極40の主成分がAuであるとき、接続部35が、AuおよびPdの合金を含有するものである。かかる接続部35を有することにより、第2部分37から接続部35、接続部35から外部電極40へと熱が伝わりやすいため、圧電素子1で生じた熱が外部へ逃げやすくなる。The piezoelectric element 1 according to the modified example has a connection portion 35 located between the second portion 37 and the external electrode 40. The connection portion 35 has thermal conductivity intermediate between that of the second portion 37 and the external electrode 40. For example, when the second portion 37 contains Ag and Pd and has a higher Pd content than the first portion 36 and the main component of the external electrode 40 is Au, the connection portion 35 contains an alloy of Au and Pd. By having such a connection portion 35, heat is easily transferred from the second portion 37 to the connection portion 35 and from the connection portion 35 to the external electrode 40, so that the heat generated in the piezoelectric element 1 is easily released to the outside.

また、接続部35は、Au、PdおよびAgの合金であってもよい。Au、PdおよびAgの含有率は、SEM観察にて測定箇所を確認したうえで、EPMAにて測定すればよい。例えば、Auが30~70質量%、Pdが0.5~20質量%、Agが29.5~69.5質量%である。高強度で熱伝導性が優れた材質で接続部35を構成することにより、耐久性の優れた圧電素子1とすることができるため、小型化を図ることができる。 The connection portion 35 may also be an alloy of Au, Pd and Ag. The content of Au, Pd and Ag may be measured by EPMA after checking the measurement point by SEM observation. For example, Au is 30-70 mass %, Pd is 0.5-20 mass %, and Ag is 29.5-69.5 mass %. By constructing the connection portion 35 from a material with high strength and excellent thermal conductivity, it is possible to obtain a piezoelectric element 1 with excellent durability, which can be made smaller.

また、接続部35は、活性部よりもAgおよびPdの含有率が低くてもよい。AgとPdの含有率は、SEM観察にて測定箇所を確認したうえで、EPMAにて測定すればよい。例えば、活性部におけるにおけるAgが70~95質量%、Pdが5~30質量%であるとき、接続部35は、これらより低い含有率であればよい。接続部35は、AgおよびPd以外の金属成分を含んでいてもよいと言い換えることができる。 The connection part 35 may have a lower content of Ag and Pd than the active part. The Ag and Pd contents may be measured by EPMA after confirming the measurement points by SEM observation. For example, when the active part has 70-95% Ag by mass and 5-30% Pd by mass, the connection part 35 may have a lower content than these. In other words, the connection part 35 may contain metal components other than Ag and Pd.

接続部35には、例えば、外部電極40に含まれるAuなどの成分が拡散していてもよい。さらに、接続部35に拡散した外部電極40に含まれる成分と、AgおよびPdとの合金であってもよい。これにより、外部電極40が内部電極30から剥がれにくくなる。For example, components such as Au contained in the external electrode 40 may be diffused into the connection portion 35. Furthermore, the components contained in the external electrode 40 that have diffused into the connection portion 35 may be an alloy of Ag and Pd. This makes it difficult for the external electrode 40 to peel off from the internal electrode 30.

また、接続部35は、Agを含有していてもよい。かかる構成により、熱散逸性を高めることができる。The connection portion 35 may also contain Ag. This configuration can improve heat dissipation.

また、外部電極40は、主成分としてAuおよびAgを含有するものであってもよい。このときの具体例としては、Auの含有率が70~95.5質量%であり、Agの含有率が4.5~30質量%である。外部電極40は、圧電体に接する第1領域と、外部に露出する第2領域とを有していてもよい。そして、このとき第1領域が第2領域よりもAgの含有率が高く、第2領域が第1領域よりもAuの含有率が高くてもよい。Agは、内部電極30に含まれる成分であり熱伝導特性に優れているため、長期間の素子駆動によって生じた熱を外部電極40に伝えて放散することができる。また、外部に露出している第2領域が第1領域よりもAuの含有率が高いことにより、耐食性に優れる。 The external electrode 40 may contain Au and Ag as main components. In a specific example, the Au content is 70 to 95.5% by mass, and the Ag content is 4.5 to 30% by mass. The external electrode 40 may have a first region in contact with the piezoelectric body and a second region exposed to the outside. In this case, the first region may have a higher Ag content than the second region, and the second region may have a higher Au content than the first region. Ag is a component contained in the internal electrode 30 and has excellent thermal conductivity, so that heat generated by long-term element operation can be transferred to the external electrode 40 and dissipated. In addition, the second region exposed to the outside has a higher Au content than the first region, resulting in excellent corrosion resistance.

図6は、実施形態の変形例に係る圧電素子の一例を示す平面図である。図6は、圧電素子1を外部電極40側から見た平面図である。図1に照らせば側面図である。 Figure 6 is a plan view showing an example of a piezoelectric element relating to a modified embodiment. Figure 6 is a plan view of the piezoelectric element 1 as seen from the external electrode 40 side. In comparison with Figure 1, it is a side view.

図6に示すように、外部電極40は、Agを含有する第3部分43を有していてもよい。そして、第3部分43は、内部電極30の幅方向(Y軸方向)に沿う中央部分よりも外縁側の方が、内部電極30の厚み方向(Z軸方向)に広く位置してもよい。ここで、広く位置しているとは、Z軸方向の長さが長いということである。このように、外部電極40が第3部分43を有するときには、外部電極40の外縁側において熱散逸性が高く、中央部分では電気伝導性に優れる。As shown in FIG. 6, the external electrode 40 may have a third portion 43 containing Ag. The third portion 43 may be located wider in the thickness direction (Z-axis direction) of the internal electrode 30 on the outer edge side than in the central portion along the width direction (Y-axis direction) of the internal electrode 30. Being located wider here means that it has a longer length in the Z-axis direction. In this way, when the external electrode 40 has the third portion 43, the external electrode 40 has high heat dissipation properties on the outer edge side and excellent electrical conductivity in the central portion.

図7、図8は、実施形態の変形例に係る圧電素子の一例を示す断面図である。図7、図8はいずれも、図1に示す圧電素子1のA-A矢視断面における他の例である。 Figures 7 and 8 are cross-sectional views showing an example of a piezoelectric element according to a modified embodiment. Both Figures 7 and 8 are other examples of the cross section of the piezoelectric element 1 shown in Figure 1 taken along the line A-A.

図7に示すように、外部電極40は、層50(第1層)、層60(第2層)を有している。層50は、主成分としてAgを含有し、圧電体20に接する層である。層60は、主成分としてAuを含有し、外部に露出している層である。ここでいう「主成分」とは、層50および層60を構成するそれぞれ全成分のうち50%を超える成分のことである。As shown in FIG. 7, the external electrode 40 has a layer 50 (first layer) and a layer 60 (second layer). The layer 50 contains Ag as a main component and is a layer that is in contact with the piezoelectric body 20. The layer 60 contains Au as a main component and is a layer that is exposed to the outside. The "main component" here refers to a component that exceeds 50% of the total components that make up the layers 50 and 60, respectively.

図8に示す圧電素子1における外部電極40は、層50および層60を有する。層50は、圧電体20に接しており、外部電極40の内面側に位置する。層50は、例えば、Auの含有率が10~40質量%、Agの含有率が60~90質量%である。 The external electrode 40 in the piezoelectric element 1 shown in Figure 8 has a layer 50 and a layer 60. Layer 50 is in contact with the piezoelectric body 20 and is located on the inner surface side of the external electrode 40. Layer 50 has, for example, an Au content of 10 to 40 mass % and an Ag content of 60 to 90 mass %.

層60は、圧電体20から離れており、外部電極40の外面側に位置する。層60は、層50よりもAuの含有率が高い。具体的には、層60のAuの含有率は、70~95.5質量%、Agの含有率は、4.5~30質量%である。 Layer 60 is located away from piezoelectric body 20 and on the outer surface side of external electrode 40. Layer 60 has a higher Au content than layer 50. Specifically, the Au content of layer 60 is 70 to 95.5 mass %, and the Ag content is 4.5 to 30 mass %.

このように外部電極40が上記構成の層50,60を有することにより、外部電極40と圧電体20とは、密着性に優れる。また、圧電素子1の外部の雰囲気が高温多湿な環境となっても長期間安定に使用することができる。さらに、圧電素子1と外部回路との導通を取るために、ワイヤボンディングやその他の様々な接続を可能となった汎用的な素子とすることができる。 Since the external electrode 40 has layers 50 and 60 of the above configuration, the external electrode 40 and the piezoelectric body 20 have excellent adhesion. In addition, the piezoelectric element 1 can be used stably for a long period of time even if the atmosphere outside the piezoelectric element 1 is a hot and humid environment. Furthermore, the piezoelectric element 1 can be made into a general-purpose element that allows wire bonding and various other connections to be made in order to establish electrical continuity between the piezoelectric element 1 and an external circuit.

また、図8に示す圧電素子1では、圧電体20に接する層50を囲い込むように層60が覆っているときには、さらに過酷な環境でも長期間安定に使用することができる。 Furthermore, in the piezoelectric element 1 shown in Figure 8, when layer 60 covers and surrounds layer 50 in contact with piezoelectric body 20, it can be used stably for a long period of time even in harsh environments.

図7、図8に示すような積層構造を有する外部電極40は、例えば、外部電極40の1層目として、積層体10の表面に主にAgを含有する層を印刷して焼成し、層50を位置させた後、層50の表面に、主にAuを含有する層を印刷して焼成することで層60を位置させてもよい。このようにして作製された圧電素子1では、不活性領域12に位置する内部電極30のうち、外部電極40との境界部分に選択的に第2部分27を位置させることができる。7 and 8, the external electrode 40 may be formed by, for example, printing and firing a layer containing mainly Ag on the surface of the laminate 10 as the first layer of the external electrode 40, positioning layer 50, and then printing and firing a layer containing mainly Au on the surface of layer 50 to position layer 60. In the piezoelectric element 1 thus fabricated, the second portion 27 of the internal electrode 30 located in the inactive region 12 can be selectively positioned at the boundary with the external electrode 40.

なお、図7、図8では、外部電極40が層50,60を有する例について説明したが、層50,60の間に、層50,60とは異なる1または複数の層を有してもよい。 Note that, although Figures 7 and 8 illustrate an example in which the external electrode 40 has layers 50 and 60, one or more layers different from layers 50 and 60 may be provided between layers 50 and 60.

<圧電センサ>
図9は、実施形態に係る圧電センサの一例を示す斜視図である。図10は、図9に示す圧電センサのC-C矢視断面図である。
<Piezoelectric sensor>
Fig. 9 is a perspective view showing an example of a piezoelectric sensor according to an embodiment, and Fig. 10 is a cross-sectional view taken along the line CC of the piezoelectric sensor shown in Fig. 9.

図9、図10に示すように、実施形態に係る圧電センサ100は、圧電素子1と、圧電素子1を取り囲むケース3とを備えている。ケース3は、ケース本体の内面4bから内側に突出している凸部3Aを含んでいる。凸部3Aの端面3aは、圧電素子1の端面1aに当接しているとともに、圧電素子1の端面1aの外周よりも内側に位置している。9 and 10, the piezoelectric sensor 100 according to the embodiment includes a piezoelectric element 1 and a case 3 surrounding the piezoelectric element 1. The case 3 includes a convex portion 3A that protrudes inward from the inner surface 4b of the case body. The end face 3a of the convex portion 3A abuts against the end face 1a of the piezoelectric element 1 and is located inside the outer periphery of the end face 1a of the piezoelectric element 1.

圧電センサ100に、図9および図10に示す白抜き矢印のように圧力が加わると、ケース3を介して圧電素子1に圧力がかかる。圧電センサ100は、圧電素子1に圧力が加わることで発生した電圧を外部へ出力する。この電圧の大きさから圧力の大きさが算出される。When pressure is applied to the piezoelectric sensor 100 as shown by the white arrows in Figures 9 and 10, the pressure is applied to the piezoelectric element 1 through the case 3. The piezoelectric sensor 100 outputs to the outside a voltage generated by the pressure being applied to the piezoelectric element 1. The magnitude of the pressure is calculated from the magnitude of this voltage.

本実施形態の圧電センサ100においては、円筒状のケース3の内部空間に圧電素子1が収納されている。ケース3の外面4aに加えられた圧力を圧電素子1に伝えるために、ケース3の上下の壁で圧電素子1が挟まれて収納されている。ケース3の上側に位置する外面4aは外力が加えられる面であり、それと対向するケース3の内面4b(内部空間の天面)に設けられた凸部3Aの端面3aが圧電素子1の上端面(端面1a)に当接している。凸部3Aの端面3aが圧電素子1に外力を伝える面である。圧電素子1の積層方向の一方の端面1a(上端面)に凸部3Aの端面3aが当接し、他方の端面1b(下端面)は、ケース3の下側に位置する外面5aに対向する内面5b(内部空間の底面)に当接している。In the piezoelectric sensor 100 of this embodiment, the piezoelectric element 1 is stored in the internal space of the cylindrical case 3. In order to transmit the pressure applied to the outer surface 4a of the case 3 to the piezoelectric element 1, the piezoelectric element 1 is sandwiched between the upper and lower walls of the case 3 and stored. The outer surface 4a located on the upper side of the case 3 is the surface to which external force is applied, and the end surface 3a of the convex portion 3A provided on the inner surface 4b (top surface of the internal space) of the case 3 facing it abuts against the upper end surface (end surface 1a) of the piezoelectric element 1. The end surface 3a of the convex portion 3A is the surface that transmits the external force to the piezoelectric element 1. The end surface 3a of the convex portion 3A abuts against one end surface 1a (upper end surface) in the stacking direction of the piezoelectric element 1, and the other end surface 1b (lower end surface) abuts against the inner surface 5b (bottom surface of the internal space) facing the outer surface 5a located on the lower side of the case 3.

本実施形態の圧電センサ100は、ケース3の内部空間内から外部へ延びているリード端子7を備えている。リード端子7は圧電素子1と電気的に接続されている。圧電素子1で発生した電圧はリード端子7を介して外部へ出力される。The piezoelectric sensor 100 of this embodiment has a lead terminal 7 extending from the internal space of the case 3 to the outside. The lead terminal 7 is electrically connected to the piezoelectric element 1. The voltage generated in the piezoelectric element 1 is output to the outside via the lead terminal 7.

本実施形態の圧電センサ100は、耐久性が高い圧電素子1を用いることで、圧電センサ100は耐久性に優れる。The piezoelectric sensor 100 of this embodiment uses a highly durable piezoelectric element 1, making the piezoelectric sensor 100 highly durable.

図9は圧電素子1を備える圧電センサ100の一例を示す斜視図であり、図10はC-C矢視断面図である。ケース3は、例えばステンレス鋼(例えば、JIS規格のSUS304やSUS316L)などの金属材料からなる。ケース3は、内部に圧電素子1を収納する空間を有する容器である。図9に示す例では、ケース3は外観が円柱状あるいは円盤状の円筒であるがこれに限られない。円筒の場合は、外力の加わる上側の壁(天板4)が円形であるので外力が加わった際に一様に変形する。そのため、上側の壁の内側にある凸部3Aの端面3aが、圧電素子1の端面1aに対して傾くことなく当接するのでよい。 Figure 9 is a perspective view showing an example of a piezoelectric sensor 100 equipped with a piezoelectric element 1, and Figure 10 is a cross-sectional view taken along the line C-C. The case 3 is made of a metal material such as stainless steel (e.g., SUS304 or SUS316L according to the JIS standard). The case 3 is a container having a space inside for storing the piezoelectric element 1. In the example shown in Figure 9, the case 3 has a cylindrical or disc-shaped appearance, but is not limited to this. In the case of a cylinder, the upper wall (top plate 4) to which an external force is applied is circular, so that it deforms uniformly when an external force is applied. Therefore, it is preferable that the end face 3a of the convex portion 3A on the inside of the upper wall abuts against the end face 1a of the piezoelectric element 1 without tilting.

また、凸部3Aの形状は、圧電素子1の積層体10の積層方向の端面1aに当接する平坦な端面3aを有していればよい。凸部3Aの形状は、例えば四角柱、六角柱、八角柱等の角柱状であってもよく、端面3aよりケース本体側の方が大きい角錐台状、あるいは図9、図10に示すような円柱状または円錐台状であってもよい。ケース3は、例えば、外寸が直径4mm~20mmで高さが2.5mm~25mmで、内部空間が直径3.4mm~19.8mmで高さが1.3mm~24.8mmに設定される。凸部3Aを除くケース3の厚みは、例えば0.1mm~1mmに設定される。凸部3Aは、例えば、端面3aの直径が1.2mm~9.8mmで、厚みが0.05mm~0.5mmに設定される。このような凸部3Aは、例えば、これらの形状に対応する金型を用いて金属を加工することで形成することができる。 The shape of the protrusion 3A may be a flat end surface 3a that abuts against the end surface 1a of the laminate 10 of the piezoelectric element 1 in the stacking direction. The shape of the protrusion 3A may be, for example, a rectangular column, a hexagonal column, an octagonal column, or a truncated pyramid shape in which the case body side is larger than the end surface 3a, or a cylindrical or truncated cone shape as shown in Figures 9 and 10. The case 3 has, for example, an outer dimension of 4 mm to 20 mm in diameter and 2.5 mm to 25 mm in height, and an internal space of 3.4 mm to 19.8 mm in diameter and 1.3 mm to 24.8 mm in height. The thickness of the case 3 excluding the protrusion 3A is, for example, set to 0.1 mm to 1 mm. The protrusion 3A has, for example, an end surface 3a with a diameter of 1.2 mm to 9.8 mm and a thickness of 0.05 mm to 0.5 mm. Such convex portions 3A can be formed, for example, by processing a metal using a mold corresponding to these shapes.

ケース3は、図9および図10に示す例では、下側の壁である底板5と、上側の壁である天板4および側壁である筒部6を有するキャップ状の蓋部との2つの部分で構成されており、底板5の側面(外周面)と蓋部(筒部6)の内面の下端部とが例えば溶接などで接合されたものである。ケース3は、底板5の上面外縁部と蓋部の下端部とが接合されていてもよい。ケース3の構成はこれに限られるものではない。図9および図10に示す例とは逆に、ケース3は、上側の壁である板状の蓋部と、側壁である筒部6および下側の壁である底板5を有するカップ状の容器との2つの部分で構成されていてもよい。あるいは、ケース3は、上側の壁である天板4および上側の側壁である筒部を有するキャップ状の蓋部と、下側の側壁である筒部および下側の壁である底板5を有するカップ状の容器との2つの部分で構成されていてもよい。さらには、ケース3は、上側の壁である天板4と、側壁である筒部6と、下側の壁である底板5との3つの部分で構成されていてもよい。9 and 10, the case 3 is composed of two parts: a bottom plate 5 which is the lower wall, and a cap-shaped lid part having a top plate 4 which is the upper wall and a tubular part 6 which is the side wall, and the side (outer peripheral surface) of the bottom plate 5 and the lower end of the inner surface of the lid part (tubular part 6) are joined by, for example, welding. The case 3 may have the outer edge of the upper surface of the bottom plate 5 and the lower end of the lid part joined. The configuration of the case 3 is not limited to this. Contrary to the example shown in FIG. 9 and FIG. 10, the case 3 may be composed of two parts: a plate-shaped lid part which is the upper wall, and a cup-shaped container having a tubular part 6 which is the side wall and a bottom plate 5 which is the lower wall. Alternatively, the case 3 may be composed of two parts: a cap-shaped lid part which has a top plate 4 which is the upper wall and a tubular part which is the upper side wall, and a cup-shaped container having a tubular part which is the lower side wall and a bottom plate 5 which is the lower wall. Furthermore, the case 3 may be composed of three parts: a top plate 4 which is the upper wall, a cylindrical portion 6 which is the side wall, and a bottom plate 5 which is the lower wall.

また、図9および図10に示す例では、ケース3の底板5には貫通孔5Aが2つ形成されている。この貫通孔5Aにそれぞれリード端子7が挿通され、リード端子7と貫通孔5Aの内面との間には例えばガラスや樹脂などの絶縁性の封止材8が充填されている。リード端子7は封止材8でケース3(の底板5)に固定されている。リード端子7の内部空間内の端部と圧電素子1の外部電極40とは、例えばリード線9およびはんだなどの接合材を介して電気的に接続されている。これにより、圧電素子1で発生した電圧信号を、リード端子7を介して外部へ出力することができる。リード端子7は圧電素子1の外部電極40にリード線9を介さずに接合材で直接接合してもよい。リード端子7に比較して柔軟性を有するリード線9を介して外部電極40とリード端子7とを接続すると、圧電素子1の伸縮によって外部電極40とリード線9との接続部に加わる応力を低減することができる。また、ケース3の天板4に貫通孔を設けて、リード端子7をケース3の上面から外部へ延びるように設けてもよい。ケース3の外面から突出するリード端子7の長さは、例えば1mm~10mmに設定することができる。リード端子7は、例えばエナメル被覆された銅線等の金属からなる直径0.1mm~1.0mmで長さ1.5mm~25mmの線材を用いてもよい。リード線9は、例えば銅線等の金属からなる直径0.1mm~1.0mmで長さ1.0mm~5.0mmの線材であり、リード端子7に例えばスポット溶接等によって接合される。9 and 10, two through holes 5A are formed in the bottom plate 5 of the case 3. A lead terminal 7 is inserted into each of the through holes 5A, and an insulating sealant 8 such as glass or resin is filled between the lead terminal 7 and the inner surface of the through hole 5A. The lead terminal 7 is fixed to the case 3 (bottom plate 5) by the sealant 8. The end of the lead terminal 7 in the internal space and the external electrode 40 of the piezoelectric element 1 are electrically connected via a lead wire 9 and a bonding material such as solder. This allows the voltage signal generated in the piezoelectric element 1 to be output to the outside via the lead terminal 7. The lead terminal 7 may be directly bonded to the external electrode 40 of the piezoelectric element 1 by a bonding material without the lead wire 9. If the external electrode 40 and the lead terminal 7 are connected via a lead wire 9 that is more flexible than the lead terminal 7, the stress applied to the connection between the external electrode 40 and the lead wire 9 due to the expansion and contraction of the piezoelectric element 1 can be reduced. Furthermore, a through hole may be provided in the top plate 4 of the case 3, and the lead terminal 7 may be provided so as to extend from the top surface of the case 3 to the outside. The length of the lead terminal 7 protruding from the outer surface of the case 3 may be set to, for example, 1 mm to 10 mm. The lead terminal 7 may be a wire made of a metal such as an enamel-coated copper wire, having a diameter of 0.1 mm to 1.0 mm and a length of 1.5 mm to 25 mm. The lead wire 9 is a wire made of a metal such as a copper wire, having a diameter of 0.1 mm to 1.0 mm and a length of 1.0 mm to 5.0 mm, and is joined to the lead terminal 7 by, for example, spot welding or the like.

さらなる効果や他の態様は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本開示のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。Further advantages and other aspects can be readily derived by those skilled in the art. Therefore, the broader aspects of the disclosure are not limited to the specific details and representative embodiments shown and described above. Thus, various modifications may be made without departing from the spirit or scope of the general inventive concept as defined by the appended claims and equivalents thereof.

1 圧電素子
10 積層体
11 活性領域
12 不活性領域
20 圧電体
30 内部電極
35 接続部
36 第1部分
37 第2部分
40 外部電極
43 第3部分
50,60 層
100 圧電センサ
REFERENCE SIGNS LIST 1 Piezoelectric element 10 Laminate 11 Active region 12 Inactive region 20 Piezoelectric body 30 Internal electrode 35 Connection portion 36 First portion 37 Second portion 40 External electrode 43 Third portion 50, 60 Layer 100 Piezoelectric sensor

Claims (11)

圧電体と内部電極とが複数積層された積層体と、
該積層体の側面に位置し、前記内部電極に接続される外部電極と
を備え、
前記積層体は、
極性が異なる前記内部電極で挟まれた活性領域と、
極性が同一の前記内部電極で挟まれた不活性領域と
を有し、
前記内部電極は、主成分としてAgおよびPdを含有し、
前記活性領域に位置する前記内部電極の活性部は、第1部分であり、
前記不活性領域に位置する前記内部電極の不活性部は、前記第1部分よりもPdの含有率が高い第2部分を有し、
前記第1部分は、前記第2部分よりもAuの含有率が高い、圧電素子。
a laminate in which a plurality of piezoelectric bodies and internal electrodes are laminated;
an external electrode located on a side surface of the laminate and connected to the internal electrode;
The laminate comprises:
an active region sandwiched between the internal electrodes having different polarities;
and an inactive region sandwiched between the internal electrodes having the same polarity;
The internal electrodes contain Ag and Pd as main components,
an active portion of the internal electrode located in the active region is a first portion;
an inactive portion of the internal electrode located in the inactive region has a second portion having a higher Pd content than the first portion;
The first portion has a higher Au content than the second portion.
前記活性部と前記不活性部との境界に位置する前記内部電極は、前記不活性部よりもAgの含有率が高い
請求項1に記載の圧電素子。
The piezoelectric element according to claim 1 , wherein the internal electrode located at the boundary between the active portion and the inactive portion has a higher Ag content than the inactive portion.
前記外部電極は、側面視において前記第2部分内に位置している
請求項1または2に記載の圧電素子。
The piezoelectric element according to claim 1 , wherein the external electrode is located within the second portion in a side view.
前記外部電極は、主成分としてAuを含有し、
前記不活性部と前記外部電極との間に位置する接続部を有し、
前記接続部は、AuおよびPdの合金を含有する
請求項1~3のいずれか1つに記載の圧電素子。
The external electrodes contain Au as a main component,
a connection portion located between the inactive portion and the external electrode,
4. The piezoelectric element according to claim 1, wherein the connecting portion contains an alloy of Au and Pd.
前記接続部は、前記活性部よりもAgおよびPdの含有率が低い
請求項4に記載の圧電素子。
The piezoelectric element according to claim 4 , wherein the connection portion has a lower content of Ag and Pd than the active portion.
前記不活性部と前記外部電極との間に位置し、Agを含有する部位を有する
請求項1~5のいずれか1つに記載の圧電素子。
6. The piezoelectric element according to claim 1, further comprising a portion containing Ag, the portion being located between the inactive portion and the external electrode.
前記外部電極は、平面視で前記内部電極と重なって位置し、Agを含有する第3部分を有し、前記内部電極の厚み方向に沿う前記第3部分の幅は、前記内部電極の幅方向に沿う中央部分よりも外縁側の方が大きい
請求項1~6のいずれか1つに記載の圧電素子。
The piezoelectric element of any one of claims 1 to 6, wherein the external electrode is positioned overlapping the internal electrode in a planar view, has a third portion containing Ag, and the width of the third portion along the thickness direction of the internal electrode is larger on the outer edge side than in a central portion along the width direction of the internal electrode.
前記積層体は、Pdを含有し、
前記外部電極は、前記積層体との界面にPbを含有する
請求項1~7のいずれか1つに記載の圧電素子。
The laminate contains Pd,
8. The piezoelectric element according to claim 1, wherein the external electrodes contain Pb at interfaces with the laminate.
前記外部電極は、主成分としてAuおよびAgを含有し、
前記積層体に接する第1領域と、外部に露出する第2領域とを有し、
前記第1領域は、前記第2領域よりもAgの含有率が高く、
前記第2領域は、前記第1領域よりもAuの含有率が高い
請求項1~8のいずれか1つに記載の圧電素子。
The external electrodes contain Au and Ag as main components,
A first region contacting the laminate and a second region exposed to the outside,
The first region has a higher Ag content than the second region,
9. The piezoelectric element according to claim 1, wherein the second region has a higher content of Au than the first region.
前記外部電極は、前記積層体に接する第1層と、外部に露出する第2層とを有し、
前記第1層は、主成分としてAgを含有し、
前記第2層は、主成分としてAuを含有する
請求項1~8のいずれか1つに記載の圧電素子。
the external electrode has a first layer in contact with the laminate and a second layer exposed to the outside,
The first layer contains Ag as a main component,
9. The piezoelectric element according to claim 1, wherein the second layer contains Au as a main component.
請求項1~10のいずれか1つに記載の圧電素子を備えた圧電センサ。A piezoelectric sensor comprising a piezoelectric element according to any one of claims 1 to 10.
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